2023届新高考新教材化学鲁科版一轮专项提能特训四　对阴、阳极上放电纠偏和电化学转化效率的计算

专项提能特训四对阴、阳极上放电纠偏和电化学转化效率的计算一、从原理和事实出发，对阴、阳极上放电纠偏纠偏1阴离子能在阴极上放电吗？阴极发生得电子的还原反应，体现出放电离子的氧化性，一些阴离子的氧化性比较强，当条件合适时肯定可以在阴极放电。[典例1]离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系，由有机阳离子、Al2Cleq\o\al(－,7)和AlCleq\o\al(－,4)组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。钢制品应接电源的极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为。若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为。[解析]电镀时钢制品应作阴极，故应接电源的负极；目的是在钢制品上镀铝，故阴极有Al产生，根据电荷守恒写出阴极反应式为4Al2Cleq\o\al(－,7)＋3e－=Al＋7AlCleq\o\al(－,4)；若使用AlCl3水溶液则是H＋在阴极放电，产生H2。[答案]负4Al2Cleq\o\al(－,7)＋3e－=Al＋7AlCleq\o\al(－,4)H2[练后归纳]很多具有氧化性的阴离子可以在电解池的阴极得电子发生还原反应，在高考题中需要特别关注NOeq\o\al(－,3)、MnOeq\o\al(－,4)、Cr2Oeq\o\al(2－,7)等在特定环境下具有氧化性的阴离子。纠偏2阳离子能在阳极放电吗？阳极发生失电子的氧化反应，本质是放电离子还原性的体现，某些处于较低价态阳离子具有较强的还原性，可以在阳极放电发生氧化反应。[典例2]铝及其化合物可用于蓄电池、耐酸设备及X射线防护材料。回答下列问题：PbO2也可以通过石墨为电极，Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液电解制取。阳极发生反应的电极反应式为，阴极上观察到的现象是；若电解液中不加入Cu(NO3)2，阴极发生的电极反应式为，这样做的主要缺点是。[解析]从实验目的来看应由Pb2＋价态升高变为PbO2，阳极电极反应式为Pb2＋＋2H2O－2e－=PbO2↓＋4H＋；阴极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，故阴极石墨上有红色物质析出。只有Pb(NO3)2溶液时，阴极反应为Pb2＋＋2e－=Pb，导致Pb2＋的利用率降低(没有全部转化为产物PbO2)。[答案]Pb2＋＋2H2O－2e－=PbO2↓＋4H＋石墨上有红色物质析出Pb2＋＋2e－=Pb不能有效利用Pb2＋[练后归纳]阳离子可以在阳极放电，有些还原性较强的离子(如Fe2＋)甚至可能先于阴离子反应。而这恰好是符合氧化还原反应规律的(还原性：Fe2＋>Cl－)。纠偏3含氧酸根离子会参与电极反应吗？[典例3]制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。(1)阳极的电极反应式为。(2)电解后，室的NaHSO3浓度增加。(3)b室的(填“NaHSO3”或“Na2SO3”)浓度增加，原因是(用电极反应式说明)。[解析](1)阳极区为H2SO4溶液，故阳极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋。(2)电解后阳极区域产生的H＋透过阳离子交换膜进入a室，发生反应SOeq\o\al(2－,3)＋H＋=HSOeq\o\al(－,3)(SOeq\o\al(2－,3)结合H＋能力比HSOeq\o\al(－,3)强)使a室的NaHSO3浓度增加。(3)b室为阴极区，电极反应式为2HSOeq\o\al(－,3)＋2e－=H2↑＋2SOeq\o\al(2－,3)(H＋主要来自于HSOeq\o\al(－,3)的电离)，故b室的Na2SO3浓度增加。[答案](1)2H2O－4e－=O2↑＋4H＋(2)a(3)Na2SO32HSOeq\o\al(－,3)＋2e－=H2↑＋2SOeq\o\al(2－,3)[练后归纳](3)中的阴极反应式非常特别，HSOeq\o\al(－,3)参与电极反应，但却是其中的H元素价态发生了变化。发生电极反应时可能并不是中心元素的价态发生改变！纠偏4分子有可能参与电极反应吗？[典例4]电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是，说明理由：。[解析]观察图示转化，结合电极反应的对应关系得出，阴极：NO＋5e－＋6H＋=NHeq\o\al(＋,4)＋H2O；阳极：NO－3e－＋2H2O=NOeq\o\al(－,3)＋4H＋。总反应式为8NO＋7H2O=3NH4NO3＋2HNO3，故A中应通入NH3，把多余的HNO3转变为NH4NO3。[答案]NH3观察图示转化中应通入NH3把多余的HNO3转变为NH4NO3[练后归纳]当条件合适的情况下，电中性的分子也有可能参与电极反应。二、电化学转化效率的计算装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，作为电化学重要组成的效率问题，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注，思则有备，有备无患，及时修复知识体系的漏洞，避免失分是非常重要的。策略一理清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系电化学中传递电子的数量是计算的核心，宏观测量的电流强度和时间，通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。1个电子电量是1.6×10－19C,1mol电子数约为6.02×1023,1mol电子所带电量的绝对值即F＝6.02×1023mol－1×1.6×10－19C＝96320C/mol，试题中经常提供的数值为F＝96500C/mol。电源或电池提供电量Q＝I·t(注意单位：电流强度为A，时间为s)，n(e－)＝eq\f(I×t,F)。若试题中没有提供法拉第常数，可以将电量除以1个电子所带的电量得到电子个数，再除以阿伏加德罗常数得到电子物质的量，即n(e－)＝eq\f(I×t,1.6×10－19C×6.02×1023mol－1)。[典例1]以石墨为电极，用电流强度为I(安培)的直流电电解足量RCly的水溶液，tmin后，精确测得电极上析出ng金属R，设金属R的摩尔质量为Mg/mol，则阿伏加德罗常数的计算式可表示为(每个电子电量：1.6×10－19C)()A．NA＝eq\f(MIt,2n×1.6×10－19)B．NA＝eq\f(60tIM,n×1.6×10－19)C．NA＝eq\f(60tIM,yn×1.6×10－19)D．NA＝eq\f(MIt,yn×1.6×10－19)[解析]阴极析出金属，电极反应式为Ry＋＋ye－=RMgymolngn(e－)将n(e－)＝eq\f(I×t×60s,1.6×10－19C×NAmol－1)代入eq\f(Mg,ng)＝eq\f(ymol,ne－)，整理得NA＝eq\f(60tIM,yn×1.6×10－19)。[答案]C策略二利用题中新定义信息逆向求解1．比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少[单位：(W·h)/kg或(W·h)/L]。单位质量或体积指表达式中质量或体积处在分母位置，从单位看是kg或L。电池理论产生的电能处在表达式的分子位置，计算公式W＝U×I×t＝U×Q＝P×t，其中W是电功，单位为焦耳(J)；U是电压，单位为伏特(V)；I是电流强度，单位为安培(A)；t是时间，单位为秒(s)；Q是电量，单位为库仑(C)，P是功率，单位为瓦(W)，1kW·h＝3.6×106J。2．比功率：电池单位质量或单位体积所输出功率的大小[单位：(W)/kg或(W)/L]，P＝UI。3．电流利用效率＝eq\f(负载利用电量,电池输出电量)×100%，负载利用电量是通过电解计算出转移电子物质的量，电池输出电量是电流表和钟表测定值Q＝I·t，再通过法拉第常数将Q转化为电子物质的量。[典例2]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93kW·h·kg－1)。电解质为酸性，该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝(列式计算。能量密度＝eq\f(电池输出电能,燃料质量)，已知F＝96500C/mol1kW·h＝3.6×106J)。[解析]由能量密度定义表达式和单位可知，求解的关键问题是求出电池输出电能即电功。假设消耗1kg的CH3OCH3，依据W＝U×Q，1molCH3OCH3中－2价碳被氧化为＋4价CO2，转移12mol电子，1kgCH3OCH3反应产生的电量Q＝eq\f(1000g,46g/mol)×12×96500C/mol，W＝U×Q＝1.2V×eq\f(1000g,46g/mol)×12×96500C/mol所得电功单位是J，需要换算成kW·h，W＝1.2V×eq\f(1000g,46g/mol)×12×96500C/mol÷(3.6×106)J/(kW·h)，能量密度＝eq\f(电池输出电能,燃料质量)＝eq\f(1.2V×\f(1000g,46g/mol)×12×96500C/mol,1kg×3.6×106J/kW·h)＝8.39(kW·h)/kg。[答案]8.39(kW·h)/kg策略三物质与能量两大角度题型归纳训练化学变化过程同时存在着物质和能量变化，同时遵守质量守恒和能量守恒。原电池和电解池电极反应式直接计算属于理想状态，不考虑效率问题，若用实际析出物质数据计算，因存在其他副反应，要考虑电流效率问题。角度1理论消耗量或析出量的相关计算[典例3]酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电池在放电过程产生MnOOH，维持电流强度为0.5A，电池工作5min，理论消耗Zng。(已知F＝96500C/mol)[解析]锌是活泼金属，为负极，电极反应式：Zn－2e－=Zn2＋65g2molmn(e－)eq\f(65g,m)＝eq\f(2mol,ne－)，将n(e－)＝eq\f(Q,F)＝eq\f(I×t,F)＝eq\f(0.5A×5×60s,96500C/mol)代入解得m＝0.05g。[答案]0.05角度2能量转化效率的相关计算[典例4]若用放电电流强度I＝2.0A的电池工作10min，电解精炼铜得到铜0.32g，则电流利用效率为(保留小数点后一位)。(已知：F＝96500C/mol，电流利用效率＝eq\f(负载利用电量,电池输出电量)×100%)[解